modelovanje potroŠnje i obnovljivih izvora energije …

MODELOVANJE POTROMODELOVANJE POTROŠŠNJE I NJE I OBNOVLJIVIH IZVORA ENERGIJE ZA OBNOVLJIVIH IZVORA ENERGIJE ZA

ANALIZU ANALIZU ““PAMETNIH MREPAMETNIH MREŽŽAA””(Iskustva sa Univerziteta u Edinburgu)(Iskustva sa Univerziteta u Edinburgu)

ELEKTRONSKI FAKULTET, NIŠ9. Juli 2013.

Dr Saša DjokićUniverzitet u Edinburgusasa.djokic@ed.ac.uk

KontekstKontekst: : PrelazakPrelazak nana ““PametnePametne MrezeMreze””

2

Ocekuje se (uglavnom) zbog:Dekarbonizacije, poboljsanja efikasnosti, pouzdanosti, bezbednosti i kvaliteta, ali i zbog manjih cena, vece raznovrsnosti i poboljsanja performansi napajanja…Realizovace se (najverovatnije):Uvodjenjem novih i efikasnijih uredjaja i aparata (energetska elektronika, upravljani potrosaci), primenom novih funkcionalnosti (fleksibilne, automatske, “self-healing” mreze), instalisanjem decentralizovanih generatora sa niskim CO2 emisijama ili sa obnovljivim izvorima energije (solarni ili na energiju na vetra, sakoriscenjem bio-goriva), sistemima za skladistenje energije, postizanjem visihnivoa obzervabilinosti i razmene informacija (ICT infrastrukture, PMU/WAMS), boljim regulisanjem i kontrolom tokova snaga (FACTS, HVDC, VPP… )

Rezultovace (vise-manje) u:Znacajnim promenama u nivoima i prirodi interakcija izmedju sistema i potrosaca, kao i promenama aktuelnih operativnih stanja i opterecenja mreza, koje ce biti (poprilicno) van tradicionalnih opsega, limita i fizickih granica…

Uzrokovace (gotovo sigurno) da ce:Analiticki metodi, modeli i softverske “alatke” postati neadekvatni za analizudinamike dvosmernih tokova snaga, povecanih emisija harmonika, izoblicenihtalasnih oblika napona/struja, injekcija jednosmernih struja, debalansa…

NOVE METODOLOGIJE, METRIKE I MODELIBICE POTREBNI ZA ANALIZU “PAMETNIH MREZA”

3

Zamena “Tradicionalnih Potrosaca” sa “Modernim Potrosacima”- direktno prikljuceni motori drajvovi/frekv. pretvaraci

(ASD)- inkandescentne lampe efikasni izvori svetlosti (CFL/LED )- potrosacka elektronika switch-mode power supplies

(SMPS)

Novi Tipovi Potrosaca:- punjaci baterija (invertori) elektricnih vozila (G2V & V2G)- mikro-generatori (prikljuceni na mrezu preko invertora)- upravljani i “demand-responsive” potrosaci (novi tipovi?)

Slicna Struktura Slicni Modeli i Metode Modelovanja:CFLs, LEDs, SMPS’, ASDs, EVs…

Novi Novi ModeliModeli i i MetodeMetode ModelovanjaModelovanja

Novi Novi ModeliModeli i i MetodeMetode ModelovanjaModelovanja

4

CFLs (Kompakt Fluorescentne Lampe):

LEDs:

SMPS’:

Bridge Rectifier Cdc

IC Controlled

dc-dc converter

LEDChain

SystemImpedance Filter

Supply System

PowerFactor

Correction

Bridge Rectifier Cdc

EMIFilter

Self-Oscillating

Bridge Inverter

Fluorescent Tube and Resonant

Circuit

Rin

SystemImpedance

PFCCircuit

Supply System

diodni ispravljac & dc link kapacitor

ModelovanjeModelovanje KompaktKompakt Fluorescent Fluorescent LampiLampiMalo Statistike:

ModelovanjeModelovanje KompaktKompakt Fluorescent Fluorescent LampiLampiCFL -- Genericki Model (Blok Dijagram):

Full-circuit CFL Model (Veoma Tacan, ali i Veoma Kompleksan):

Validacija:

Bridge Rectifier Cdc

EMIFilter

Self-Oscillating

Bridge Inverter

Fluorescent Tube and Resonant

Circuit

Rin

SystemImpedance

PFCCircuit

Supply System

0 5 10 15 20-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

Inst

anta

neou

s inp

ut c

urre

nt (A

)

Time (ms)

Measured 11W CFL Full circuit model of 11W CFL

-300

-200

-100

0

100

200

300

Inst

anta

neou

s inp

ut v

olta

ge (V

)Applied voltage

2.5 3.0 3.5 4.0 4.50.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 390

20

40

60

80

100

Inpu

t cur

rent

har

mon

ics (

% o

f fun

dam

enta

l)

Harmonic number (N)

Measured 11W CFL Full circuit model of 11W CFL

3 54045505560657075808590

6

7

ModelovanjeModelovanje KompaktKompakt Fluorescent Fluorescent LampiLampiFluorescentna Cev:

Equivalent-circuit CFL Model (Simple & Reasonably Accurate):

Req -- Korektna Formulacija!

0 2 4 6 8 1020

40

60

80

100

Inst

anta

neou

s dc

link

curr

ent,

i dc (m

A)

Time (ms)

0

200

250

300

idc

Inst

anta

neou

s dc

link

volta

ge, v

dc (V

)

vdc

220 240 260 280 300 320

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

4

Equi

vale

nt re

sist

ance

, Req

(kΩ

)

Instantaneous dc link voltage, vdc (V)

Trans1Quadratic

Trans2

Linear

1

2

3

ModelovanjeModelovanje KompaktKompakt Fluorescent Fluorescent LampiLampi

8

Malo Vise Detalja:

ModelovanjeModelovanje KompaktKompakt Fluorescent Fluorescent LampiLampi

9

Equivalent-circuit CFL Model Validation:

Generic CFL Model:- R = f(P)- L = f(P)- Cdc = f(P)

(P – CFL power)

0 5 10 15 20-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

Inst

anta

neou

s inp

ut c

urre

nt (A

)

Time (ms)

Measured 11W CFL Full circuit model of 11W CFL Equivalent model of 11W CFL

-300

-200

-100

0

100

200

300

Inst

anta

neou

s inp

ut v

olta

ge (V

)

Applied voltage

2.5 3.0 3.5 4.0 4.50.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 390

20

40

60

80

100

Inpu

t cur

rent

har

mon

ics (

% o

f fun

dam

enta

l)

Harmonic number (N)

Measured 11W CFL Full circuit model of 11W CFL Equivalent model of 11W CFL

3 54045505560657075808590

6 8 10 12 14 16 18 20 22 240

1

2

3

4

5

6

7

8

Cdc

(µF)

CFL Prated (W)

Measured Capacitor Values Maximum Cdc

Minimum Cdc

Line of best fit

pu

PV

CX

CFL

dcCdc

25.0

11230

1067.211

2

6

2supply

≈×⋅

==−ωω

ModelovanjeModelovanje KompaktKompakt Fluorescent Fluorescent LampiLampi

10

11

- Integral Topljenja (Melting Integral)

ModelovanjeModelovanje SMPS SMPS IzvoraIzvora NapajanjaNapajanjaKoriscenjem istog/slicnog postupka, Udarna Struja (“Inrush current”) :

0 20 40 60 80 100 120

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

GlassMiniature FuseMI Range

DiodeMI Range

Mel

ting

Inte

gral

(A2 S

)

Interruption Duration (ms)

Min_Zsys Nom_Zsys Max_Zsys

CeramicMiniature FuseMI Range

0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 00

2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

1 2 0

1 4 0

Pea

k In

rush

Cur

rent

(A)

I n t e r r u p t i o n d u r a t i o n ( m s )

N o m _ Z s y s M i n _ Z s y s M a x _ Z s y s

( )dttiMI

t

t∫=2

1

2

Analiza Zahteva Korektno Modelovanje:- Potrosaca (Tipovi/Kategorije i “Krive Opterecenja”)- Mreza (Komponente i Konfiguracije)- Mikro/Malih Generatora (Energija na Ulazu/Izlazu)

DSM & DSM & MGMGUpravljanje Potrosnjom (Demand Side Management, DSM) i Mikro-generatori (Micro-generation, MG) bice jako vazni zafleksibilnost i kontrolu buducih “Pametnih Mreza”Slicnosti:

- Malih su Snaga, ali su Instalisani u Velikom Broju- Veoma su Razlicitih Karakteristika i Jako Raspodeljeni- Prikljuceni su Paralelno na Niskonaponsku Mrezu- Znacajne Varijacije u Vremenu i na Razlicitim Lokacijama- Agregatni Efekti im Mogu biti Znacajni

12

Proces Modelovanja Pocinje na Niskom Naponu (NN) i Nastavlja se na Srednjem Naponu (SN) i Visokom Naponu (VN):

ModelovanjeModelovanje AggregatneAggregatne PotrosnjePotrosnje

13

Model NN Model NN AgregatneAgregatne PotrosnjePotrosnjeDekompozicija Krive Opterecenja u Tipove Potrosaca

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100 Consumer

electronics / ICT Cooking

Wet

Cold

Storage hot water

Direct hot water

Top up heating

Direct heating

Storage heating

Lighting

Activ

e po

wer

dem

and

(p.u

.)

Time (hr)

14

15

Glavne Kategorije Potrosaca:Model NN Model NN AgregatneAgregatne PotrosnjePotrosnje

Aggregate

DSM Signal

X X X

Model NN Model NN AgregatneAgregatne PotrosnjePotrosnjeKonverzija Tipova Potrosaca u Odgovarajuce Kategorije:

LCD TV Secondary2.51%

CRT TV Secondary12.71%

Projection TV Primary8.82%

LCD TV Primary18.66%

Plasma Primary TV28.12%

CRT TV Primary29.17%

16

no-PFC15.22%

a-PFC18.66%

p-PFC66.12%

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Con

tribu

tion

to lo

ad (%

)

Time (hr)

SMPS: a_PFC p_PFC no_PFC

Single-phase motors: RSIR_QT RSIR_CT RSCR_CT

Resistive:

Lighting: GIL CFL

Dekompozicija Krive Opterecenja u Glavne Tipove Potrosaca

Model NN Model NN AgregatneAgregatne PotrosnjePotrosnje

17

Model NN i SN Model NN i SN MrezeMrezeTipicne Konfiguracije Mreze Rezidencijalnih Potrosaca

0.4kV11kV33kV

GridSupplySystem

Zsys

1 2

3

45

6

7

8 9 10 11 12 13 14 15

30

31

32

33

34 35 36 37 38 39

Representative of all 0.4 kV feeders

Representative of all 11kV feeders

185 0.12271 0.06575 0.0002395495 0.14403 0.06662 0.00017804185 89.84 43.68 -95 171.12 53.47 -

Max.Length

(km)

Crosssection(mm2)

10

0.4 0.2

(p.u. on 100MVA)

R/km X/km B/km

Cable11

FeederType

OperatingVoltage

(kV)

R XMin Max

33/11 Dyn11 15 0.06 1 0.8 1.05 0.014311/0.4 Dyn11 0.5 2.04 9.28 0.95 1.05 0.025

Tap step (p.u.)

Tap range (p.u.)(p.u. on 100MVA)

Operating Voltage (kV)

VectorGroup

Rating(MVA)

Fideri

Transformatori

18

Model NN i SN Model NN i SN MrezeMreze

20

UpravljanjeUpravljanje PotrosnjomPotrosnjom: : PrimenaPrimena

Za analizu DSM potencijala izabrane sledece:

Upravljanje 40% masina za pranje vesa/sudova iz periodavrsnog opterecenja (18:00 – 22:00) u kasne nocne sate i

ostale periode tokom dana

Potrosnja u rezidencijalnom sektoru approx. 31% od ukupnepotrosnje elektr. energije u Britaniji Visoki DSM Potencijal

Karakteristike individualnih potrosaca i nacini njihovogkoriscenja odredjuju da li njima moze da se upravlja:

- Mnogi potrosaci nisu raspolozivi (osvetljenje, PCs, TVs, priprema hrane…)

- Termo-potrosaci su regulisani odgovarajucim tarifama- Rashladni (frizideri, zamrzivaci…) samo kratko vreme- Masine za pranje vesa, sudova…

21

Ulazni Energetski Resursi Primer: µWind, Edinburg

Model NN Model NN AgregatnihAgregatnih MikroMikro--generatorageneratora

21

15km

15km

Merena brzina vetra na 5 lokacija (±14 dana oko 21. januara)

Model NN Model NN AgregatnihAgregatnih MikroMikro--generatorageneratora

22

23

Opseg izmerenih brzina vetra (prosecne vrednosti za 1h)

Model NN Model NN AgregatnihAgregatnih MikroMikro--generatorageneratora

24

Prosecne (Agregatne) brzine vetra

Model NN Model NN AgregatnihAgregatnih MikroMikro--generatorageneratora

Model NN Model NN AgregatnihAgregatnih MikroMikro--generatorageneratoraBaza Podataka: 60+ Proizvodjaca 170+ Turbina

25

Model NN Model NN AgregatnihAgregatnih MikroMikro--generatorageneratoraCetiri genericka modela µWind Turbina

26

27

Model NN Model NN AgregatnihAgregatnih MikroMikro--generatorageneratoraAggregate (“Master”) Generic µWind Turbine ModelMix/Aggregation of Generic WTs:

G1 - 20%, G2 - 40%, G3 - 30%, G4 - 10%

Model NN Model NN AgregatnihAgregatnih MikroMikro--generatorageneratoraModelovanje

Jednostavni analiticki izrazi:

[ ]22

1 5.124.2,12.329.7m

WG vforvvP ≤≤+−=

[ ]225.123,12.026.447.11 32

mWG vforvvvP ≤≤−+−=

[ ]232

3 5.125.3,16.034.41.13m

WG vforvvvP ≤≤−+−=

[ ]245.123,12.012.327.8 32

mWG vforvvvP ≤≤−+−=

m/s3for,)084.092.287.7)(1( 32)3(75.0__ ≥−+−−= −− νµ vvveP v

totMWTG

28

29

Aggregate Output

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

Average Maximum Minimum)

Winter: G1 - 20%, G2 - 40%, G3 - 30%, G4 - 10%

Pow

er O

utpu

t (pu

)

Time (h)

Capacity Factor (~0.2)

Model NN Model NN AgregatnihAgregatnih MikroMikro--generatorageneratora

(assessment of energy storage?)

RezultatiRezultatiZamena inkandescentnih lampi sa CFL izvorima + DSM

30

RezultatiRezultatiZamena inkandescentnih lampi sa CFL izvorima + DSM

31

RezultatiRezultatiZamena inkandescentnih lampi sa CFL izvorima + DSM

32

RezultatiRezultatiZamena inkandescentnih lampi sa CFL izvorima + DSM

33

RezultatiRezultatiIndividualni/Kombinovani Uticaj DSM & MG: Tokovi Snaga

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Act

ive

pow

er (p

.u.)

Time (hr)

Base case Base case - average MG Base case - max MG DSM DSM - average MG DSM - max MG

34

35

Elektricna Vozila- Mitsubishi iMiEV & Nissan Leaf- Dodatna merenja iz Nemacke- Ne bas komplikovano, ali…

Modelovanje EV Punjaca

0.0 2.5 5.0 7.5 10.00

1

2

3

4

5

6

7

8

Inpu

t cur

rent

(p.u

.)

Time (ms)

EV Type I EV Type II EV Type III EV Type IV EV Type V

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 210

20

40

60

80

100

Inpu

t cur

rent

har

mon

ics (

% o

f fun

dam

enta

l)

Harmonic number (N)

EV Type I EV Type II EV Type III EV Type IV EV Type V

Cdc

D1 D3

D4 D2

req

R Liin

Cemi

36

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 1 2 3 4 50

20

40

60

80

100

Cur

rent

(A)

Current Voltage

325

330

335

340

345

350

355

360

365

Resistance Curve fitting

Res

ista

nce

(Ω)

Time (hr)

0

1

2

3

4

5

6

7

0 1 2 3 4 5 60

100

200

300

400

500

600

Cur

rent

(A)

Current Voltage

310

320

330

340

350

360

370

Vol

tage

(V)

Res

ista

nce

(Ω)

Time (hours)

Resistance Curve fitting

Modelovanje EV Punjaca

ModelovanjeModelovanje PotroPotroššnjenje i i ObnovljivihObnovljivih IzvoraIzvora EnergijeEnergije zazaAnalizuAnalizu ““PametnihPametnih MreMrežžaa””

HvalaHvala nana PaznjiPaznji!!PitanjaPitanja, , KomentariKomentari, , SugestijeSugestije……??

Dr Sasa Djokicsasa.djokic@ed.ac.uk